Springende Kügelchen
Was ist ein Phasenübergang?
Wird ein Glas Wasser in den Gefrierschrank gestellt, wird das Wasser immer kälter, bis es bei etwa null Grad Celsius plötzlich zu Eis wird, das ganz andere Eigenschaften hat. Wird das Wasser hingegen erhitzt, verwandelt es sich bei etwa hundert Grad Celsius in Dampf. Solche plötzlichen qualitativen Veränderungen, die durch allmählich sich ändernde äußere Bedingungen verursacht werden, werden als Phasenübergänge bezeichnet. Wasser beispielsweise existiert in drei Phasen: fest, flüssig und gasförmig.
Ein ähnlicher Phasenübergang findet im Experiment mit den springenden Kügelchen statt. Die Kügelchen liegen auf einer vibrierenden Membran eines Lautsprechers. Bei den meisten Einstellungen des Lautsprechers springen die Kügelchen zufällig zwischen dem linken und dem rechten Fach hin und her, sodass sich auf beiden Seiten ungefähr die gleiche Anzahl befindet. Bei einer bestimmten Schwingungsfrequenz und Amplitude durchläuft das System jedoch einen Übergang: Fast alle Kügelchen landen auf einer Seite, wodurch ein Bild auf der anderen Seite sichtbar wird.
Wie kommt es dazu? Anfangs ist die Bewegung der Perlen zufällig, aber kleine Schwankungen können zu einem leichten Ungleichgewicht führen. Bei den meisten Einstellungen des Lautsprechers spielt dies keine Rolle, da der Boden stark genug vibriert, um die Kügelchen in beide Richtungen springen zu lassen. Unter bestimmten Einstellungen kollidieren die Kügelchen auf der überfüllteren Seite jedoch häufiger, verlieren deshalb an Energie und springen weniger leicht auf die leerere Seite. Gleichzeitig bewegen sich die Kügelchen auf der leereren Seite leichter in Richtung der überfüllten Seite. Dadurch verstärkt sich das Ungleichgewicht, bis sich schliesslich alle Kügelchen auf einer Seite sammeln.
Mehr Information
- Phasenübergang: Wikipedia
- Dieses Experiment wurde bei der Internationalen Physikolympiade 2016 an der Universität Zürich vorgestellt. Dort mussten Schülerinnen und Schüler aus der ganzen Welt die Einstellungen des Lautsprechers anpassen, um den Phasenübergang zu finden und zu charakterisieren. Die Beschreibung des Experiments befindet sich ab Seite 17 der Prüfungsunterlagen: PDF
